20 октября 1943 года Воронежский фронт был переименован в 1-й Украинский, во время командования которым, особенно ярко раскрылся военный талант Ватутина. Серьезной проверкой на полководческую зрелость стали форсирование Днепра и освобождение Киева. Несмотря на первоначальную неудачу в Днепровской воздушно-десантной операции, командующий фронтом искал неординарный, масштабный, дерзкий ход, и его решение стало неожиданным для противника. Скрытно и оперативно генерал Ватутин провел перегруппировку войск, основные силы сосредоточив под Лютежем, но так, чтобы букринский плацдарм противник считал основным для советского наступления. Благодаря данной военной хитрости была обеспечена стратегическая внезапность.
В течение двух ночей, 26 и 27 октября 1943 года, он вывел 3-ю гвардейскую танковую армию с букринского плацдарма обратно на восточный берег Днепра. Танкистам-гвардейцам генерала П.С. Рыбалко пришлось еще раз переправляться через Днепр — теперь на лютежский плацдарм. Маневр был проведен так умело, что противник его даже не заметил: немецкая служба радиоперехвата слышала на букринском плацдарме работу тех же радиостанций, авиация наблюдала скопления ложных танков, орудий и переправ, пытаясь их бомбить. Первый удар был все же нанесен с букринского, чтобы фон Манштейн до самого последнего момента думал, что именно это направление является главным.
Танкисты обогнав наступающую пехоту, провели знаменитую ночную атаку с включенными сиренами и зажженными фарами. Эффект превзошел все ожидания. Генерал Ватутин со своей задачей справился блестяще: 6 ноября был освобожден Киев, на правом берегу Днепра создан стратегический плацдарм и освобожден Житомир.
Для Гитлера потеря Киева стала ударом, но благодаря предпринятым активным усилиям, немцам удалось в ожесточенных атаках вновь захватить Житомир. Командование фронта с опозданием отреагировало на изменение обстановки, что привело к окружению части сил 60-й армии. Одновременно развернулось крупное сражение за г. Брусилов, где противник сосредоточил шесть дивизий. После пяти суток упорных боев советские войска оставили город. Но 26 ноября они нанесли по противнику контрудар и через несколько дней линия фронта стабилизировалась. Войска Первого Украинского фронта остановили контрнаступление врага на киевском направлении. К 22 декабря его ударная группировка была измотана и обескровлена.
Военная биография командующего Первым Украинским фронтом была украшена еще несколькими славными страницами в январе — феврале 1944 года. Войска Н.Ф. Ватутина провели Ровно-Луцкую операцию, в ходе которой командующий применил мощный удар, что позволило выйти в тыл группировки немцев и полностью ее уничтожить. Также вверенные ему войска во взаимодействии со Вторым Украинским фронтом под командованием генерала И.С. Конева окружили крупную группировку врага в районе Корсунь-Шевченковского и, несмотря на прорыв части немецких сил, Корсунь-Шевченковская операция закончилась разгромом противника.
